Mechanické zkoušky ZKOUŠKY TVRDOSTI MATERIÁLU

Základní pojmy tvrdost - odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa tvrdost materiálů - mimořádná důležitost - zjišťuje se nejrychleji, nejlevněji, na předmětech nejmenších rozměrů - lze usuzovat další vlastnosti (pevnost v tahu, obrobitelnost,...) tvrdost označujeme.h hodnoty tvrdosti uvádíme bez jednotek [MPa]

Historie 1773-1839 první měření tvrdosti - testování zlatých mincí zuby roku 1812 sestavil stupnici německý mineralog Friedrich Mohs tvrdost nerostu se určí podle toho, zda do něj lze učinit vryp nerostem známé tvrdosti označení tvrdosti HMo

Stupnice tvrdosti nerostů tvrdost látka chemický vzorec 1 mastek H 2 Mg 3 (SiO 3 ) 4 2 sůl kamenná NaC 3 vápenec (kalcit) CaCO 3 4 kazivec (fluorit) CaF 2 5 apatit Ca(PO 4 ) 3 6 živec (ortoklas) Si 3 O 8 7 křemen SiO 2 8 topaz Al 2 SiO 4 9 korund Al 2 O 3 10 diamant C

Rozdělení metod měření tvrdosti průnik cizího tělesa - elastická a plastická deformace materiálu měření po zkušebním zatížení (klasické metody) jen plastická deformace měření během zkušebního zatížení (ultrazvuková (UCI), dynamická metoda) plastická i elastická deformace

Rozdělení zkoušek tvrdosti z hlediska působení zátěžné síly, plast. deformace zkoušky tvrdosti statické zkoušky dynamické zkoušky metoda vrypová metoda vnikací

Statické zkoušky - metoda vrypová zkouška tvrdosti dle Martense (HMa) mírou tvrdosti je síla F potřebná k vytvoření vrypu širokého 0,01mm kuželovým diamantovým hrotem, zkoušený předmět se pohybuje konstantní rychlostí v použití - křehké, tvrdé materiály (porcelán, sklo, keramika )

Statické zkoušky - metoda vnikací nejpoužívanější zkoušky druhy zkoušky dle Brinella (HB) - ČSN EN ISO 6506-1 Rockwella (HR) - ČSN EN ISO 6508-1 Vickerse (HV) - ČSN EN ISO 6507-1 zkušební zařízení - tvrdoměry vnikací tělíska - dle druhu zkoušky zkušební vzorek malých rozměrů s přebroušenou plochou

Zkouška tvrdosti podle Brinella Johan August Brinell 1849 1925 na světové výstavě v Paříži 1900 představil svůj tvrdoměr

Brinellův tvrdoměr

Brinellův tvrdoměr univerzální tvrdoměr pro zkoušky tvrdosti tvrdoměr s automatickým vyhodnocením tvrdosti

Brinellův tvrdoměr znázorňované údaje na LCD - hodnota tvrdosti - délka trvání zkoušky - zatěžovací síla - střední délka diagonály aj. automatické řízení zatěžovací síly doba zatěžování (2 až 995) vteřin

Plně automatický stolní mikroskop Brinell velmi snadná manipulace odečet hodnoty během několika sekund automatické uložení naměřených hodnot do počítače statistické zpracování dat nárazuvzdorná konstrukce mikroskopu

Podstata zkoušky zkušební zařízení - Brinellův tvrdoměr vnikací tělísko - kulička ød [mm] (10; 5; 2,5 a pro tenké vzorky 2 a 1 mm) - materiál tvrdokov (slinutý karbid) použití - pro tzv. měkké materiály (přejímka polotovarů )

Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný tloušťka tělesa h min = 8 x hloubka vtisku doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí t = (10 až 15)s velikost zátěžné síly - F F K.D 2 [kp], F = K konstanta.d 2 [N]

Podmínky zkoušky zatěžující síla F závisí na ød použité kuličky a zatěžovacím stupni K dle druhu zkoušeného materiálu zatížení a průměry kuliček voleny tak, aby průměr vtisku byl v mezích ød = (0,2 až 0,7)D čím měkčí materiál, tím menší zvolené zatížení

Velikost zkušebního zatížení ød [mm] poměr K (zatěžovací stupeň) 30 15 10 5 2,5 1,25 1 [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [N] [kp] 10 5 2,5 2 1 29,42 3000 14,71 1500 9,807 1000 4,903 500 2,452 250 1,226 125 980,7 100 7,355 750 1,839 187,5 1,177 120 0,294 30

Vyhodnocení zkoušky odměření ød vtisku ve dvou vzájemně kolmých směrech stanovení aritmetického středu obou měření d1 d2 d 2 [mm]

Vyhodnocení zkoušky dle naměřeného ød vtisku z tabulek odečtena hodnota tvrdosti HBW (kulička z tvrdokovu) HBS (ocelová kalená kulička) R informativní přepočet tvrdosti na pevnost v tahu Rm k.hbw[mpa] k konstanta závislá na materiálu (pro ocel k 3,53) hodnoty pro další materiály viz.tab.

Brinellova tvrdost HB - pevnost v tahu R m oceli v žíhaném stavu oceli v zušlechtěném stavu měď tažená měď žíhaná mosaz válcovaný bronz hliníková slitina litina magnesiové slitiny R m = 3,6 HBW R m = 3,4 HBW R m = 4,0 HBW R m = 5,5 HBW R m = 4,0 HBW R m = 3,2 HBW R m = 3,5 HBW R m = 1,0 HBW R m = 4,3 HBW

Provedení zkoušky tvrdosti vtisk ve zkoušeném materiálu

Zápis zkoušky XXX HBW XX / XXX / XX hodnota tvrdosti symbol tvrdosti rozměr vnikacího tělesa velikost zkušebního zatížení doba působení zkušebního zatížení Př. 600 HBW 1 / 30 / 20

Příklad 600 HBW 1 / 30 / 20 tvrdost podle Brinella 600 kulička z tvrdokovu ød = 1mm zkušební zatížení F = 294,2N (30kp) doba zatížení t = 20s

Zkouška tvrdosti podle Vickerse Vickers Armstrong Ltd. - druhý největší britský koncern válečného průmyslu (2.sv.válka - letadla, lodě, těžké zbraně ) - vývoj materiálů - zkoušky tvrdosti Vickersův tvrdoměr

Vickersův tvrdoměr

Univerzální tvrdoměry

Mikrotvrdoměry použití - měření průběhu tvrdosti tvrzených vrstev - stanovení tvrdosti jednotlivých fází slitin zatížení (10-2000)g zvětšení až 500x stolek s mikroposuvem ve dvou osách s přesností 0,01 µm

Podstata zkoušky zkušební zařízení - Vickersův tvrdoměr vnikací tělísko - diamantový jehlan se čtvercovou základnou - vrcholový úhel mezi protilehlými stěnami 136 použití - pro tzv. tvrdé materiály

Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný teplota měření - t = (10 až 35) C, obvykle t = (23 5) C doba zatěžování - od počátku až do jeho plné hodnoty (2 až 8)s doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí (10 až 15)s zkušebního zatížení - velikost F[N] dle tab.

Velikost zkušebního zatížení zkouška tvrdosti zkouška tvrdosti při nízkém zatížení zkouška mikrotvrdosti symbol tvrdosti zatížení F[N] symbol tvrdosti zatížení F[N] symbol tvrdosti zatížení F[N] HV 5 49,3 HV 0,2 1,961 HV 0,010 0,0891 HV 10 98,7 HV 0,3 2,942 HV 0,015 0,1471 HV 20 196,1 HV0,5 4,903 HV 0,020 0,1961 HV 30 294,2 HV 1,0 9,807 HV 0,025 0,2452 HV 50 490,3 HV 2,0 19,610 HV 0,050 0,4903 HV 100 980,7 HV3,0 29,420 HV 0,100 0,9807

Vyhodnocení zkoušky změří se úhlopříčky vtisku d 1 a d 2 stanoví se aritmetický střed obou měření d1 d2 d 2 [mm] dle úhlopříčky vtisku d se z tabulek odečte hodnota tvrdosti HV

Označení tvrdosti XXX HV XX / XX hodnota tvrdosti symbol tvrdosti zkušební zatížení doba působení zkušebníh o zatížení Př. 680 HV 30 / 20

Příklad 680 HV 30 / 20 tvrdost podle Vickerse 680 vnikací tělísko diamantový jehlan zkušební zatížení F = 294,2N (30kp) dobu zatížení t = 20s

Zkouška tvrdosti podle Rockwella zkušební zařízení Rockwellův tvrdoměr (americký technik P.A. Rockwell)

Rockwellův tvrdoměr

Rockwellův tvrdoměr model pro tenké povrchy, vhodný pro tvarově složité vzorky

Podstata zkoušky zkušební zařízení - Rockwellův tvrdoměr vnikací tělísko - kulička ocelová kalená ød (1/16, 1/8 ) - diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 použití - měkké i tvrdé materiály

Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný teplota měření - t = (10 až 35) C, obvykle t = (23 5) C doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí (10 až 15)s zkušebního zatížení - velikost F[N] dle tab. dle zkoušeného materiálu zvolit vhodné vnikací tělísko a zatěžující sílu

Podmínky zkoušky Symbol tvrdosti Typ vnikacího tělesa Fo [N] F [N] Oblast použití HRA diamantový kužel 98,07 588,42 (20 až 80) HRA HRB kulička ø1,5875mm 98,07 980,70 (20 až 100) HRB HRC diamantový kužel 98,07 1 471,05 (20 až 70) HRC HRD diamantový kužel 98,07 980,70 (40 až 77) HRD HRE kulička ø 3,175mm 98,07 980,70 (70 až 100) HRE HRF kulička ø1,5875mm 98,07 588,42 (60 až 100) HRF HRG kulička ø1,5875mm 98,07 1 471,05 (30 až 94) HRG HRH kulička ø 3,175mm 98,07 588,42 (80 až 100) HRH HRK kulička ø 3,175mm 98,07 1 471,05 (40 až 100) HRK

Postup vnikací tělísko (diamantový kužel či ocelová kulička) je postupně vtlačováno do povrchu zkoušeného materiálu po odlehčení zkušebního zatížení silou F se tvrdost určuje z hloubky trvalého vtisku hodnota tvrdosti se odečte na tvrdoměru příslušné stupnice

Princip zkoušky

Rockwellovy zkoušky v praxi Použitá stupnice A (černá) Ozn. tvrdosti HRA Vnikací tělísko F[kp] F [N] Použití diamantový kužel α = 120, r = 2 60 588,4 tenké tvrdé vrstvy (nitridované,...) B (červená) HRB ocelová kulička ø 1/16 100 980,7 měkké materiály C (černá) HRC diamantový kužel α = 120, r = 2 150 1471,1 tvrdé materiály

Označení tvrdosti XX hodnota tvrdosti H R X symbol tvrdosti vnikací tělísko, velikost zatížení Př. 61 1 HRC

Příklad 61 1 HRC 61 1... hodnota tvrdosti s tolerancí HR Rockwellova tvrdost C...diamantový kužel α = 120, r = 0,2mm - předběžné zatížení F 0 = 98N ( 100N) - celkové zatížení F = 1471N ( 1500N) doba zatížení t = (10 až 15)s

Univerzální testovací přístroje

Vnikací tělíska

Dynamické zkoušky tvrdosti Poldi kladívko Shoreův skleroskop použití měkké materiály (přejímka polotovarů )

Poldi kladívko podstata - tvrdoměr v kolmé poloze na zkoušeném předmětu - vnikací tělísko rázem vtlačeno do materiálu i porovnávací tyčinky úderem kladiva na úderník tvrdoměru

Souprava Poldi kladívka vnikací tělísko - ocelová kulička (kalená) ød = 10[mm] porovnávací tyčinka - ocelová o pevnosti R m = 686,7 MPa (R m = 70 kpmm -2 ) brinellova lupa - měření vtisků ve zkoušeném materiálu ød K a porovnávací tyčince ød E

Postup tvrdoměr přiložen kolmo na zkoušený materiál kladivem se udeří na úderník - kulička vytvoří dva vtisky (ve zkoušeném materiálu ød k, v porovnávací tyčince ød E )

Vyhodnocení zkoušky změřeny průměry vtisků - ød E, ød K (střední hodnota půměrů ve dvou na sebe kolmých směrech) tabulka - odečtení tvrdosti HB a pevnosti R m øde [mm] v etalonu ødk [mm] ve zkoušeném kuse 2,4 2,5 2,6 2,7 2,3 2,4 54 152 2,5 Rm HB

Přenosný tvrdoměr Leeb měřenou hodnotu lze automaticky převést na tvrdost Brinell, Rockwell, Vickers, Shore hmotnost 0,67kg

Skleroskop Shorea podstata - hodnota tvrdosti se určí z výšky odrazu standardního tělíska (hmotnost 2,5g) - dopadá na zkoušený předmět z výšky (10 = 254mm) označení tvrdosti HSH popis skleroskopu 1 vodící lišta 2 tělísko 3 stupnice 4,5 tlačítka

Tvrdoměr Shorea

Příklad 1 měření tvrdosti slitiny (Cu + Zn - mosaz), vnikací kulička ød = 5mm, zatěžovací stupeň K = 10, doba působení 30s, zkušební síla (F = K.D 2 [kp]) F = 2450N po odlehčení vnikací kuličky byl odměřen vtisk ød 1 = 1,61mm, ød 1 = 1,59mm ød 1 = 1,60mm z tabulky tvrdosti určíme hodnotu HBW = 121 zápis tvrdosti 121 HBW 5 / 250 / 30

Příklad 2 tvrdost měřena na Vickersově tvrdoměru - zatěžovací síla F = 490,3 N - doba zatížení 30s - naměřeny hodnoty úhlopříček d 1 = 0,441mm, d 2 = 0,439mm d = 0,440mm odečtena hodnota tvrdosti z tabulek HV = 478 zápis tvrdosti 478 HV 50 / 30

Příklad 3 60 tzn. 60 2 HRC 2 hodnota tvrdosti s tolerancí HRC Rockwellova tvrdost zkoušena diamantovým kuželem α = 120, r = 0,2mm předběžné zatížení F 0 = 98N ( 100N) celkové zatížení F = 1471N ( 1500N) doba zatížení t = (10 až 15)s

Určete názvy nerostů 6 1 3 7 4 8 9 2 10 5

Provedení zkoušky tvrdosti určete tvrdost a pevnost neznámého ocelového vzorku zkušební zařízení - Brinellův hydraulický tvrdoměr HPO 3000 vnikací tělísko - kulička ød = 10mm (ocelová kalená) doba zatížení - t = 10s

Vyhodnocení zkoušky naměřené hodnoty průměrů vtisku d 1 = 3,22mm, d 2 = 3,20mm aritmetický průměr d = 3,21 mm odečtená tvrdost z tabulky dle ød....250 HBS stanovená pevnost F= 3,53.250 = 882,5[MPa]

Zdroje Zkoušení materiálů I. Ing. St. Bohumínský Strojírenská technologie I. Ing.St.Hluchý a kol. www.globalspec.com www.hardnesstesters.com www.igitur.cz www.htl-steyr.ac.at www.tvrdomery.cz www.quido.cz www.hanyko-praha.cz www.vyrobnistroje.cz